Products Solutions Services La misura della Temperatura Endres… · proporzionale alla differenza...

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31 Maggio 2016

Products Solutions Services

La misura della Temperatura

Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Bologna

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Silvio AppoloniSlide 1

31 Maggio 2016

Teoria di base

In genere nei metalli

Termoresistenze (RTD)

Slide 2 Silvio Appoloni

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Teoria di base RTD

• Principio di misura

• E’ possibile la misura indiretta della temperatura …

• Misurando il valore della resistenza


31 Maggio 2016

Teoria di base: Tolleranza (IEC 751)

La tolleranza cresce quando la temperatura aumenta

di conseguenza la precisione diminuisce quando la temperatura cresce

Temperatura Tolleranza

Temperatura Precisione


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Teoria di base

• Tolleranze e precisioni

• DIN A

• DIN B

• 1/3 DIN

• 1/5 DIN

• 1/10 DIN

• Normative

• DIN 43760

• UNI 7937

• IEC 7510

DIN B

DIN A

1/3 DIN

1/5 DIN

1/10 DIN

TOLE

RANCE

TOLERANCE VALUES OFTHERMORESISTANCE AS A FUNCTION

OF THE TEMPERATURE

TEMPERATURE °C100

0,5

1

2

2,5

1,5

400300200

0100

200

300400

Pt 100

Pt 500

Ni 120

Pt 100field

°C DIN B DIN A 1/3 DIN 1/5 DIN 1/10 DIN

SENSOR

SENSOR

CLASS B

CLASS 1/3 B

CLASS A

CLASS 1/5 B

CLASS 1/3 B

CLASS 1/10 B

0.30.8

1.3

1.82.3

0.3+0.005 t

0.3+0.005 t

0.4+0.007 t

0.1+0.0017 t

0.15+0.002 t

0.15+0.002 t

0.06+0.0011 t0....+650°C

0.1+0.0017 t

0.03+0.0007 t

0.10.27

0.44

0.610.78

0.030.1

0.17

0.240.31

0.150.35

0.55

0.750.95

0.060.17

0.28

0.390.5


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Teoria di base

- 200 ÷ + 600 °C -50 ÷ + 400 °C -50 ÷ + 400 °C


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Tipica costruzione sensore RTD

• Sensore convenzionale thin film o wire wound (ceramica)

• Isolamento con polvere pressata/compatta

in MgO o Al2O3

Mineral isolation(MgO, Al2O3)orGrouding material

RTD (e. g. Pt100)

Sheet

Materiale isolante tra ilsensore primario ed il

processo.

(Possibile dispersione termicae ritardo nel tempo di

risposta)

- 200 + 600 °C - 50 + 400 °C


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Compact thermometer design Sensore a contatto

• L’elemento sensibile Thin film è praticamente a diretto contatto del processo

• La nuova tecnologia di produzione garantisce una costante ed alta qualità

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

2

4

6

8

10

Zeit [s]

Te

mp

era

turä

nd

eru

ng

[K]

Simulatedresponse timethin film RTD element*

Simulatedthermometerresponse time* * H2O, v = 0,4 m/s

Delta T = 10K


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Tempo di risposta rapido, stabilità a lungo termine

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Zeit [s]

Rela

tive

Tem

pera

turä

nderu

ng

[%]

neues Thermometerdesign (Außen-Ø 6 mm)

herkömmliches Thermometerdesign ausMgO-Mantelleitung (Ø 6 mm)


Kompaktthermometer (Außen-Ø 8mm) mitinternem flexiblem Folienwiderstand

New E+H thermometer design (6mm )

Traditional design from MgO-cable (6mm )


Thermometer with foil-RTD (8mm )

Rel

ati

vete

mp

era

ture

cha

ng

e[%

)]

Time [s]

• Delta T = 10K• v = 0,4 m/s ( H2O)

~ 3,5x

~ 2x

~ x 7

• Tempo di risposta più veloce


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Lunghezza d’inserzione / errore dispersione termica

88

90

92

94

96

98

100

102

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5

Eintauchtiefe [cm]

Te

mp

era

tur

[°C

]

neues Thermometerdesign (Außen-Ø 6mm)


Kompaktthermometer (Außen-Ø 8mm) mitinternem flexiblem Folienwiderstand

New E+H thermometer design (6mm )


Thermometer with foil-RTD (8mm )

Tem

per

atu

re[°

C]

Insertion length [cm]

• Silicon oil• T = 100°C

~ 2,2x

~ 1,5x

>1

1K >

6K

• Lunghezza d’inserzione minima con alta accuratezza

• Errore per dispersione termica ridotto/trascurabile


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100°C 0°C

Fili di diverso materiale

Ni-Cr

Ni-Al

Es: TC Tipo K

Teoria di base

• Cos'è una termocoppia

Giunto caldoo

giunto di misura

Giunto freddo ogiunto di riferimento

(mantenuto a temperaturarelativamente costante)


31 Maggio 2016

Teoria di base

100°C 0°C

T gn. T rif.

Tgn. Trif. EMF (Forza Elettromotrice)

EFFETTO SEEBECK

Se i metalli dei conduttori sono diversi e se i due giunti si trovano atemperature diverse, tra di essi si stabilisce una differenza dipotenziale, e quindi nel circuito si genera una corrente elettricaproporzionale alla differenza di temperatura delle due giunzioni.

a

b

se metallo a b


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Teoria di base TC

• Principio di misura

• E’ possibile la misura indiretta della temperatura …

• Misurando la forza elettromotrice generata da due conduttori di metalli

diversi


31 Maggio 2016

Teoria di base TC

• Termocoppia direttamente

collegata a uno strumento di

misura

• Termocoppia collegata a uno

strumento di misura con cavi di

estensione (o compensazione)


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Teoria di base

Fili di conness.

Fili di conness.

Trasmettitore4..20 mA

Basettaceramica

Fili di estensione

Fili di compensazione

Fili di conness.

Circuito di misura

Circuito di misura

Circuito di misura

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Cu

Fili TC

Fili TC

Buona precisione

Costoso per lunghe distanze

I fili di estensione sono della stessa lega dei fili della TC

I fili di compensazione generano una EMF simile ai fili della TC (campo di temperatura limitato)

Economico per lunghe distanze

Bassa precisione

Buona precisioneEconomico

Basettaceramica



Fili TC


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Teoria di base


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Teoria di base

• Building blocks

• L’inserto

• The connecting wires (IEC 584)

IEC 584, ANSI MC96.1, DIN 43714, BS 1843,NF C 42-324, etc. standards identify the extension cables (X)and the compensating cables (C) of TC.

KX

Ieri e oggi per Oggi nuoviricambi IEC impianti


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Teoria di baseC

99m

t01

3.cd

r

SXRX

VX

WX

EX

TX

KX

JX

IDENTIFICATION SYSTEM FOR EXTENSIONAND CO MPENSATING CABLES OFTHERMOCOUPLES

MC96.1ANSI

43714DIN

43714DIN You can find the JXa sLXand TXasUX.

Extension and compensating cables

Extension cables

are used for the electrical connect ion between the open endsof a thermoc ouple and the reference junction in those installationswhere the conductors of therm ocoupleare notd irectly connected to the refe rence junction.

are m anufactured from conductors ha ving the samenominal comp osit ion asthose of the corresponding thermocouples.Theya re designed by a letter “X” following the letterof therm ocouple.Compensating cables are m anufactured fro m cond uctorshaving acom position dif ferent from the corresponding thermocouples.Theya re designed by a letter “C” following the letterof thermocouple.Diff eren t alloy fo r the sa m e the rm oco up le type , ca n b e d isting uishe d b y ad dition allette rssuc h a sfo r exam p le KCAa nd KCB.

1843BS

C 42-324NFIEC/CEI

584

IEC/CEI58 4

Fe CuNi

NiCr NiAl

Cu CuNi

NiCr CuNi

Fe CuNi

Cu CuNi

Cu Cu11

KCA

K CB

SCA-SCBRCA-R CB

*LX

*UX

Fe-Costantana J

Cromel-Alumel K

Cu-Costantana T

Cromel-Costantana E

Pt/Rh 10 SPt/Rh 13 R


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Teoria di base: Tolleranza (IEC584 o ANSI MC 96.1)

La tolleranza cresce quando la temperatura aumenta

di conseguenza la precisione diminuisce quando la temperatura cresce

Temperatura Tolleranza

Temperatura Precisione


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Teoria di baseTOLERANCE VALUES OF THERMOCOUPLE

AS A FUNCTION OF THE TEMPERATURE

TEMPERATURE °C

275°C0°C

TO

LE

RA

NC

E

8°C

6°C

4°C

2°C

0°C

-2°C

-4°C

-6°C

-8°C

1000°C293 °C

T

J

EK

R or SB

T*E*

K*

* Thermoco uples an d thermocouples materials are no rmally supplied to meet the tolerances specified

in the table for temperatures above 0°C. If materials are required to meet the tolerances stated

for temperatures below 0°C the purchase order must so state.

°C (whichever

is greater)

°C (whichever

is greater)Type Temperature

range °C

TolerancesStandard Special

870 to 1700

-200 to 0-200 to 0

-200 to 0

CLASS 2(STANDARD) and CLASS 1(SPECIAL) in comparison

0 to 370

0 to 760

0 to 8700 to 1260

0 to 1480

±1 or ±0.75%

±2.2 or ±0.75%

±1.7 or ±0.5%±2.2 or ±0.75%

±1.5 or ±0.25%±0.5%

±1 or ±1.5%±1.7 or ±1%

±2.2 or ±2%

±0.5 or ±0.4%

±1.1 or ±0.4%

±1 or ±0.4%±1.1 or ±0.4%

±0.6 or ±0.1%±0.25%

CLASS 2 CLASS 1


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Regional requirements

E+H “Temperature EU-style”• e.g. DIN standard (new DIN 43772)• Pipe thermowell (9, 11, 13 mm)• Intrinsic safety protection mode (ATEX)• NAMUR recommendations• Head transmitters in DIN housings• Profibus PA Fieldbus

E+H “Temperature US-style”• ANSI/ASME standards• Bar stock thermowell• Explosion proof protection mode (FM, CSA)• Field transmitter (HART) mainly stand alone• Foundation Fieldbus


31 Maggio 2016

Teoria di base

• Building blocks

• The Insert (Thermometer sensor)

• The Terminal Housing (Head)

• The Protecting Tube (Thermowell)


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Trasmettitore di temperatura

• Input/Unità

• Tipico: Pt 100

• E’ accettato:

• Ni 100

• Pt 1000

• mV (da termocoppia) V

• Resistenza

• mV (da resistenza) V

V = R x I

mA( f )

INP

UT


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Temperature Electronics

Sensor error (broken , short circuit, corrosion)

Basic technology information>20 mA< 4 mA

ERROR

Invecchiamentoconduttori


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Funzioni di Diagnostica

Sensor backup:In caso di rottura delsensore, il TMT passaautomaticamente sulsecondo e un segnale

d’allarme viene inviatoal PLC

Sensor driftdetection:

Se il valore dei duesensori misurati deviarispetto ad un valoredefinito, un segnale

d’allarme viene inviatoal PLC.

Cable-corrosion-detection:

Controllo dellacorrosione del cavoRTD 3-/4-fili e TC

Open circuit orshort-circuit:

Segnalazione di circuitoaperto e/o corto circuito

su di RTDs and TCs.

Ambienttemperaturemonitoring:La temperatura

dell’elettronica ècontrollata

costantemente

Monitoringof the sensor

limits:Segnalazionedell’avvenuto

superamento superioreo inferiore del range

del sensore collegato.

Safety


31 Maggio 2016

Mechanics – Construction - design

Coperchio alto

corpo

TA30A + display TA30D

Ingresso cavi

Installazione

trasmettitore,

opzione con

display

Terminal block


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Field housing with head transmitters

Mounting kit

• Wall mounting

• Pipe mounting

Lid

Low lid

Lid with display window

Base body

2 cable entries


31 Maggio 2016

Materiali e versioni delle custodie

• Alluminio presso-fuso:

• Uso generale, industria chimica

• Stainless steel 316L:

• Off-Shore, Oil & Gas

• Acciaio inox 316L, Forma T17:

• Food e Pharma


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Selezione modulare del sistema di misura temperatura

CONTACTThermometer

PROCESSThermo.

HEAVY DUTYThermometer

MA

CH

INE

Dty

pe

Mg

Oty

pe

Mg

O-

EE

x-d

typ

e

Mg

Oty

pe

Neck

Process

connection

&

Thermowell

Head

Sensor

RTD TC

TU

BE

typ

e


31 Maggio 2016

Selezione modulare del sistema di misura

Pi 100 versione Exi o Exd

Trasmettitore, inversione separata,con indicatore localein custodia dacampo per areapericolosa (Exi oExd).

Trasmettitore datesta in custodia da

campo

Pozzetto termometrico inacciaio, Alloy o Monel ecc.

o


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Certificazioni sensori temperatura

Integritàmeccanica

Integritàfunzionale

Compatibilitàambientale


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Test and certificates

Welding testMicroscope

Dye penetrant testHydrostatic testUltrasonic test

X rays

DYE PENETRANT TEST

HYDROSTATIC TEST

MICROSCOPE

X-ray TEST

(radiographictest)

MACROGRAFIC AND MICROSCOPE ANALYSIS


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Traceability and reliability from the lab

ParameterInstrument inCalibration

Range Uncertainty (*)

Temperature Thermocouple -20 - 250 °C250 - 500 °C

500 - 1100 °C

0.2 °C0.3 °C1.0 °C

ResistanceThermometer (RTD)

-20 -250 °C-20 -250 °C250 -500 °C500 -650 °C

0.03 °C0.04 °C0.10 °C0.30 °C

Measure Loop: Indicator +TC

and/or RTD Transmitter TC

and /or RTD

U+R

U+AS

SIT-EA Accreditation LaboratoryCertificate and

table of accreditation SIT-EA


31 Maggio 2016

Standard philosophies for branch

• Temperature EU-style

• DIN standard (new DIN 43772)

• Pipe thermowell (9, 11, 13 mm)

• Intrinsic safety protection mode

(ATEX)

• Stainless steel 316Ti (1.4571)

• Mainly dedicated to light chemical,

pharma

• NAMUR recommendations for RFI

and insets

• Head transmitters in DIN housings

• Profibus PA Fieldbus

• Temperature U.S.-style

• ANSI/ASME standards

• Bar stock thermowell

• Explosion proof protection mode

(FM, CSA)

• Stainless steel 316/316L (W.

1.4404)

• Dedicated to Petrochemical, heavy

chemical

• Field transmitter (HART) mainly

stand alone

• Foundation Fieldbus


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Differenze

• TERMOCOPPIA

• Campo di misura nominale: - 250 ÷ + 2.200°C

• Campo di applicazione: - 200 ÷ + 1.600 °C

• Misura puntuale di temperatura

• VANTAGGI

• Breve tempo di risposta

• Dimensioni ridotte e costruzione semplice

• Resistente alle vibrazioni

• Autoalimentata

• Vasta varietà

• Ampio campo di temperatura

• Economica (eccetto S-R-B)

• SVANTAGGI

• Non lineare

• Bassa intensità di segnale

• Riferimento necessario

• Limitata stabilità

• Variazioni metallurgiche / invecchiamento

• Cavi di estensione costosi

• TERMORESISTENZA

• Campo di misura nominale: da - 200 ÷ + 850°C

• Campo di applicazione: da -200 ÷ + 600°C

• Misura di temperatura mediata su un'area

• VANTAGGI

• Buona stabilità

• Alta accuratezza

• Buona linearità

• Deriva limitata

• SVANTAGGI

• Costose

• Alimentazione necessaria

• Bassa resistenza assoluta

• Autoriscaldamento

• Sensibile alle vibrazioni


31 Maggio 2016

Modular concept

ATEX

Communication

Sensor

Material

Thermowell

Thermowell tip

Mo

du

le

Version

Process connection

Immersion length

Thermowell-Ø

Neck

Connection head

Additional option

Pt100

1.4404 1.4571 2.4819 TitaniumGr2

PTFE

DIN/Pipe DIN/Barstock

120mm 160mm 220mm 250mm 280mm

Insert Ø3/6mm DIN/PipeØ9/11/12mm

DIN/Bar stockØ18/24mm

DIN/Pipe DIN/Bar stock Other

Calibration Factory test Pressure testHarting-

connectorTAG

SensorSlide 36 Silvio Appoloni

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Tempo di risposta

E+H standard TR44

Insertosostituibile

Pozzetto

Inserto nonsostituibile

Saldatura TIG

E+H standard TR 45


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Impiego materiali speciali

Process connectionInconelHastelloy

TubeInconelHastelloy

PlateInconelHastelloy

TubeInconelHastelloy

FlangeSt. Steel

OversheathPTFETitaniumTantalum

Inconel 600 Suitable for high temp. (1150°C max.). Oxidizing and reducing media.W NR. 2.4816 Application in heat treating furnace, incinerators and chemical engineering.

Hastelloy C-276 Excellent resistance to a wide variety of chemical processes.Application in flue gas desulfurization.

Tantalium Excellent corrosion resistance, suitable for the chemical processes.

Titanium Resistance to saline or polluted waters. Acid and chemical resistant.

PTFE Resists attack by a wide range of chemicals.


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Lunghezza d‘immersione

MINIMA LUNGHEZZA D'IMMERSIONE:DIAMETRO POZZETTO X 20

LUNGHEZZA D'IMMERSIONEINSUFFICIENTE

INSERTO IN MGO + POZZETTOSOLO INSERTO IN MGO:CONTATTO DIRETTO

DISPERSIONE DI CALORE

ATTENZIONE!ACCURATEZZA INFERIORE


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Lunghezza del Neck


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Posizionamento


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Calculation mechanical stability thermowell (ASME 19.3)

• Dati di design necessari:

• Materiale pozzetto

• Lunghezza del pozzetto

• Diametro interno

• Dimensioni dello stelo del TW


• Dati aggiuntivi (peso molecolare per i gas dicombustione, rapporto della miscela permiscele acqua-vapore, ecc. – vedi help table)

V

P

T

r

Critical weld seam

• Dati di processo necessari:

• Tipo di fluido (acqua, aria, vapore

saturo, vapore surriscaldato, gas

di combustione, ecc.)

• Temperatura

• Pressione

• Velocità (o portata) con UNO dei

seguenti dati:

• sezione tubazione;

• diametro interno tubazione;

• diametro esterno + spessore tubazione

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Calculation mechanical stability thermowell (ASME 19.3)


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Thermocoppie skin-point


TSK100 Caratteristichetecniche

Irraggiamentotermico

Tubo di processo

Termocoppia Skin

Giunto caldotermocoppia (knife

edge)

L’aria esterna raffredda la guainadella termocoppia mantenendola

pulita ed evita il deposito di dannosiresidui della combustione.

Refrattario

Disco di chiusura(Tenuto pressato contro il

refrattario tramite una mollaal fine di evitare indesiderateinfiltrazioni d’aria attraverso

il foro)

Molla

Aria fredda(aria aspirata, forno inleggera depressione)

Tubo di protezione(Proteggie latermocoppia

dall’irraggiamento)

Sezione radiante- bassa pressione -

Temperatura in differentipunti della TC

Questa soluzione permette allatermocoppia di seguire l’espansione dei

tubi liberamente nelle 3 direzioni, evitandogli stress meccanici derivati dal movimento

dei tubi di processo

Foro nelrefrattario

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Skin point HIGH TEMPERATURE

Pavimento

del forno

Coils, tubi di processo

1100°C

Temperatura di

processo 1260 °C

Temperatura

ambiente


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Giunto caldo

Inserto termocoppia (MgO)

Clip di fissaggio

Hastelloy,

Inconel 600

Schermo protettivo in

ceramica – Alsint 99.7

Tubo di processo

Inserto termocoppia (knife edge)

saldato al tubo di processo

Riempimento con speciale materiale

refrattario ad alto isolamento termico


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Protezione giunto

caldo

Pozzetto speciale di protezione

per alte temperature


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Skin point

Temperature sensors

heads

Junction box

Furnace’s floor


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Customer references - Italy

2005 - Sarlux - Cagliari (Sardinia) Saras Refinery power generation plant

Nr. 2 measurement temperature

systems Octoplus (2 thermocouples per

nozzle) for gasifier quench ring (1

reactor IGCC plant)

Technical data:

TS = -40 ÷ +500 °C

PS = 110 barg

Process medium: syngas (vapour)

containing H2, CO, CO2, H2S, COS, NH3,

HCN, mostly water (liquid -

condensate)

Material: SS 316L, Incoloy 825,

Hastelloy x

Flames fromburner

QuenchringSyngas

Special bolt with axial hole forhot joint thermocouple

positioning

Axial hole

Thermocouple

Safety chamberwithPED certification(97/23/EC)

Dip tube


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Customer references: Gasificatore

Installation supervision and results

1. Combustion destructive effects (it’s the same ambient wherethermocouples work!)

2. Safety chambers before installation

3. Incoloy 825 special bolt installed 4. Thermocouples positioning

Diptube


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Customer references: Sarlux

5. Thermocouples crossing process connection

7. Octoplus installed

6. E+H Personnel supervision during installation

8. Temperatures readingin plants control roomand in field

Installation supervision and results


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Temperature gas torch


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Standard Straight Multipoint TM911


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LINEAR PROFILE MEASUREMENT – MULTIPOINT i-THERM TM911

Standard flanged process connectionSafety chamber 2

Junction box

Flame lamination joint for unloosing

compression fittings to replace the inserts

Main thermowell

Measurement points

Safety chamber 1

Thermometric safety system

i-THERM TM911

Patent n. WT0112


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LINEAR PROFILE MEASUREMENT – MULTIPOINT i-THERM TM911

Rotating cover +

flame

lamination joint

Compression fittings

for measuring

replaceable inserts

Flame

lamination

joint

Guiding tubes for

replaceable insertsSealing mechanism

Replaceable inserts


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Camera di sicurezza certificata PED


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MULTIPOINT i-THERM TM911

SEPARATION BARRIER THERMOWELL

SAFETY CHAMBER

SEPARATION BARRIER THERMOWELL

SAFETY CHAMBER

SEPARATION BARRIERTHERMOWELL

SAFETY CHAMBER

SAFETY & REALIBILITY: DIFFERENT FUNCTIONAL CONDITIONS


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Octoplus Multipoint


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Octoplus Multipoint


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Customer references: Saras Refinery

Thermocouples positioninglayout under distributor tray

Detail 3Dengineering

(Pro/E)

Finalresult

Thermowell

Distributortray

Support

Projectdevelopment

Extractable and replaceablethermocouples

(without shutting downprocess)

Extractable andreplaceable thermocouples

(without shutting down process)


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Multipoint for Reactor


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Standard Line High Temperature


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Special thermocouples for High Temperature


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Standard Line - Improvements

• New Materials for new application fields:

• Thermocouple Type N

MaterialTemperature

Limits[°C]

Notes

Metal alloys

Haynes HR-160 Alloy 1205-1260Used for thermocouple protection tubes.Experiences in hazardous waste incinerator, heat exchangers, sulphur plants, cementkilns

Kanthal AF 1300Improved hot strength and oxidation properties and especially recommended wheregood form stability properties in combination with high temperature is required

Ceramics / Metal-CeramicMaterials

Kanthal Silicon Carbide 1700 Excellent thermal shock resistance. High thermal conductivity. Porous

Kanthal Super 1700 Less brittle than ceramic. Excellent in corrosive furnaces. Used for thermowells

Syalon 050 1400High wear strength, used for thermocouple protection tubes, excellent resistance tocorrosion, good thermal shock strength


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Glass Industry

Refractory wall

New processconnection by

customer

Refractory to be drilledon site by customer


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Glass Industry

Process connection flange

Protective ceramicbody

Connection head

Metal sleeve (hightemperature special alloy)

Refractory material pads

Compression fittingwith graphite


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Glass Industry

Process connection flangeProtective ceramic

body

Connection head

Refractory material pads

Compression fittingwith graphite

Metal sleeve (hightemperature special alloy)

Thermocouple withdouble sheath


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Glass Industry

Refractory wall

First ceramic sheath


Furnace crown

Thermocouple

Refractory materialpads

Second ceramicsheath


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Glass Industry

Refractory wall

New processconnection nozzle


Fornace crown

Sensingelement

Compressionfitting with

graphite

Refractorymaterial

pads


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Claus Furnaces

Springs and damping

devices for thermal

expansion compensation

Claus furnace

refractory wall

(>1400 °C on surface

Air vent + burners

Protected

hot junction


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Claus Furnaces


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Claus Furnaces


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